Существование планет-гигантов не находит объяснения

Внутренняя миграция протопланет (они представлены белыми точками, размер точки пропорционален массе протопланеты). Плотность протопланет выше в более ярких частях диска (изображение с сайта www.physorg.com)

Моделирование образования планет в протопланетных дисках сталкивается с серьезной проблемой: никак не удается удовлетворительным образом добиться формирования планет гигантов. Планеты попросту падают на звезду. Британские астрономы попробовали обойти эту проблему, смоделировав движение сразу множества формирующихся планет.

Согласно современным представлениям, картина образования планетных систем выглядит примерно так. Сначала пылевые частицы слипаются, образуя планетезимали диаметром порядка километра. Затем, продолжая расти и сливаться, планетезимали формируют зародыши планет диаметром 100-1000 км. Среди них выделяются наиболее крупные тела, которые продолжают расти по «олигархическому» механизму, поглощая более мелкие. В итоге формируется несколько относительно небольших объектов вблизи звезды, которые становятся планетами земного типа, и несколько более крупных на расстоянии свыше 3 астрономических единиц, которым предстоит стать газовыми планетами-гигантами.

Эта теория выглядит довольно красиво, но сталкивается с одной серьезной проблемой при попытке численно смоделировать образование планетной системы. Когда на периферии сформировались массивные объекты-олигархи, им еще предстоит достаточно долго набирать вес путем аккреции окружающего газа. Однако едва только их масса становится достаточно большой, гравитационное взаимодействие с газовым диском начинает быстро уменьшать радиусы их орбит. Проходит всего 100 тысяч лет, и все массивные объекты проваливаются во внутренние области системы, где с высокой вероятностью падают на центральную звезду. Двигаясь по кругу, протопланета, подобно мотоциклу на ледяном треке, выбрасывает на более высокие орбиты потоки пыли и газа. На это, конечно, расходуется энергия орбитального движения самой протопланеты, и, пока диск остается достаточно плотным, она довольно быстро теряет высоту.

Чтобы спастись, «олигархам» надо продержаться внутри диска хотя бы миллион-другой лет. Этого времени им хватит, чтобы сконцентрировать в себе большую часть вещества диска. Однако результаты моделирования неумолимы, как суд над Ходорковским: отдельный массивный объект, обращающийся внутри газопылевого диска, непременно гибнет.

Астрономы Пол Крессвел (Paul Cresswell) и Ричард Нельсон (Richard Nelson) из Школы математических наук при Университете королевы Марии в Лондоне решили проверить, не могут ли «олигархи» выжить, если объединятся в группу. Выражаясь точнее, они решили смоделировать совместную эволюцию группы протопланет внутри диска в надежде на то, что взаимодействие между ними позволит избежать проваливания в центр системы хотя бы некоторым крупным протопланетам.

Увы, результаты моделирования оказались не слишком обнадеживающими. После многократных прогонов модели выяснилось, что лишь в редких случаях (около 2%) взаимодействие между массивными протопланетами приводит к тому, что одна из них выбрасывается на достаточно большую орбиту, что позволяет продлить ей жизнь. Однако в остальных случаях все протопланеты начинают совместно двигаться вниз, к звезде, где их ждет бесславный конец.

Интересно отметить, что в этом движении протопланеты в каком-то смысле даже помогают друг другу. В результате серии взаимодействий они попарно попадают в резонанс друг с другом, когда периоды обращения соотносятся как небольшие целые числа. Соединенные такими резонансными связями протопланеты как бы тянут друг друга за собой — уменьшение периода обращения одной планеты побуждает к уменьшению периода связанную с ней, а та, в свою очередь, вызывает сокращение периода у следующей связанной с ней протопланеты. И так, строем, все они отправляются в пекло.

Правда, примерно в 20% случаев наблюдалось одно исключение из этой печальной картины — когда протопланеты входили в резонанс с отношением периодов 1:1, то есть, грубо говоря, обращались по общей орбите (это не совсем точно, поскольку орбиты могли заметно различаться, совпадали — да и то в среднем за несколько оборотов — только периоды обращения). Такие пары коорбитальных протопланет в ряде случаев могли продержаться внутри диска достаточно длительное время. На этом основании авторы работы предсказывают, что с развитием средств наблюдения у других звезд должны найтись пары планет, обращающихся по общей орбите примерно так же, как в Солнечной системе по орбите Юпитера обращаются группы астероидов Греки и Троянцы.

Несмотря на это интересное предсказание, в целом результат новой работы оказался негативным. Показано, что учет взаимодействия протопланет не позволяет предотвратить их проваливание в центр формирующейся системы. Так что на сегодня существование планет-гигантов в Солнечной системе по-прежнему остается необъясненным.

Конечно, астрономы продолжают искать объяснения. Согласно одной из гипотез, образование крупных протопланет во внешних областях диска может повторяться несколько раз. Первые поколения гибнут, а последнее уже не встречает большого сопротивления со стороны диска, потерявшего значительную часть массы. Другая идея состоит в том, чтобы учесть турбулентность внутри протопланетного диска — до сих пор все модели учитывали только ламинарное вращение. Все эти гипотезы еще предстоит проверять.

Александр Сергеев

Источники:
1) The locked migration of giant protoplanets, PhysOrg.com, 21.03.2006.
2) Paul Cresswell, Richard Nelson, Evolution of multiple protoplanets — краткое изложение результатов работы с приложением видеороликов по результатам моделирования.
3) Paul Cresswell, Richard Nelson, On the evolution of multiple protoplanets embedded in a protostellar disc (PDF, 28 Мбайт), Astronomy & Astrophysics, 14.02.2006.